采煤機(jī)負(fù)載突變工況下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性研究

李亞賓

（中天合創(chuàng)煤炭分公司門克慶煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

引言

采煤機(jī)是煤礦井下“三機(jī)”中最重要的設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接關(guān)系到煤礦井下的綜采作業(yè)效率和綜采作業(yè)的安全性。由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，同一煤層不同區(qū)域的煤層硬度差異較大，導(dǎo)致在綜采作業(yè)時(shí)作用在采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)上的截割阻力變化較大，頻繁出現(xiàn)負(fù)載突變的工況，使采煤機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)受到極大的振動(dòng)、沖擊，嚴(yán)重影響了采煤機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性[1]。為了提升采煤機(jī)在負(fù)載突變工況下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，本文利用MATLAB 仿真分析軟件對(duì)采煤機(jī)在負(fù)載突變工況下的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行研究，獲取了影響其運(yùn)行穩(wěn)定性的因素，為優(yōu)化采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升工作穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

1 采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

本文以某型采煤機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為分析對(duì)象，建立如圖1 所示的采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和截割驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采煤機(jī)在進(jìn)行截割作業(yè)時(shí)通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制截割機(jī)構(gòu)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，實(shí)際工作的過程中采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)的截割阻力是由截割時(shí)的進(jìn)給速度[2]和截割機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速共同決定的，截割阻力的變化又反過來會(huì)對(duì)采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合沖擊和齒側(cè)間隙產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)特性，因此在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)應(yīng)充分考慮采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)的阻抗變化、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)輪齒嚙合沖擊及齒輪組的齒側(cè)間隙[3]的影響。根據(jù)采煤機(jī)在煤礦井下的實(shí)際工作，對(duì)其截割作業(yè)過程中的負(fù)載突變情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，表明采煤機(jī)以正常的進(jìn)給速度（約為3.15 m/s）執(zhí)行截割作業(yè)時(shí)的正常阻抗約為219 kN/m，最大截割阻抗約為347 kN/m，當(dāng)采煤機(jī)遇到硬煤層時(shí)，其截割阻抗將在約0.4 s 內(nèi)從正常水平上升到最大截割阻抗，因此在進(jìn)行仿真分析時(shí)，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，將激勵(lì)信號(hào)在0.4 s 內(nèi)由正常水平上升到最大值，模擬采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)的載荷突變情況[2-3]。

圖1 采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡圖

2 采煤機(jī)負(fù)載突變工況下的仿真分析結(jié)果

本文以某型采煤機(jī)為對(duì)象，其結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)額定功率為290 kW，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)的額定功率為38 kW，截割驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)工作時(shí)的額定轉(zhuǎn)速約為1 140 r/min，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)工作時(shí)的額定轉(zhuǎn)速約為2 220 r/min，截割驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比約為46.7，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比約為351.2。

如下頁圖2 所示的仿真分析結(jié)果可知：當(dāng)采煤機(jī)在負(fù)載突變的工況下截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作電流從正常的189.44 A 增加到了突變工況下的286.30 A，電流的增幅達(dá)到了51.12%，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作電流從正常的68.4 A 增加到81.21 A，電流的增幅達(dá)到了12.81%。分析表明，當(dāng)采煤機(jī)受到負(fù)載突變工況影響的情況下，采煤機(jī)截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載增加量要大于采煤機(jī)進(jìn)給電機(jī)的負(fù)載增加量，這主要是由于采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的負(fù)載變化直接受煤層截割阻抗的影響，而采煤機(jī)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)所承擔(dān)的負(fù)載除了包含截割阻力外還有采煤機(jī)整個(gè)機(jī)身的重量，因此當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)其抗負(fù)載干擾的能力較強(qiáng)。為了確保采煤機(jī)在工作過程中的穩(wěn)態(tài)特性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的使用系數(shù)，增強(qiáng)其抗負(fù)載突變干擾的能力，提高其工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)特性。

圖2 負(fù)載突變情況下的電流變化曲線

3 采煤機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)仿真分析結(jié)果，針對(duì)性地提高了采煤機(jī)的截割機(jī)構(gòu)使用系數(shù)[4]，使其使用系數(shù)在原來的基礎(chǔ)上增加了1.5 倍，增強(qiáng)了采煤機(jī)的抗負(fù)載突變干擾能力，為了驗(yàn)證該技術(shù)方案的準(zhǔn)確性，本文在井下綜采作業(yè)面的MG450/100-WD 型采煤機(jī)的截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的端蓋位置設(shè)置了一組加速度傳感器，同時(shí)對(duì)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)的電流變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采煤機(jī)井下實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀如圖3 所示。

對(duì)采煤機(jī)在截割作業(yè)過程中負(fù)載突變情況下各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在采煤機(jī)綜采作業(yè)過程中各驅(qū)動(dòng)電流的變化曲線如圖4 所示。

由實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，優(yōu)化后采煤機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)遇到載荷突變時(shí)，采煤機(jī)的截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流由正常工作時(shí)的59 A 增加到76.4 A，增幅為25.5%，采煤機(jī)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流由正常情況下的48.2 A 增加到53.6 A，增幅為11.2%，由此可見，優(yōu)化后采煤機(jī)在負(fù)載突變工況下的穩(wěn)態(tài)特性得到了明顯提高，目前該方案已在該礦得到了全面的推廣，極大提升了采煤機(jī)綜采作業(yè)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

根據(jù)優(yōu)化后對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)表明：

圖3 井下采煤機(jī)監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)置示意圖

圖4 采煤機(jī)負(fù)載突變時(shí)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流變化曲線

1）當(dāng)采煤機(jī)受到負(fù)載突變工況影響的情況下，采煤機(jī)截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載增加量要大于采煤機(jī)進(jìn)給電機(jī)的負(fù)載增加量，為了確保采煤機(jī)在工作過程中的穩(wěn)態(tài)特性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的使用系數(shù)，增強(qiáng)其抗負(fù)載突變干擾的能力，提高其工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)特性。

2）當(dāng)采煤機(jī)在運(yùn)行過程遇到載荷突變時(shí)，優(yōu)化后的采煤機(jī)截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流增幅顯著降低，由此可見優(yōu)化后采煤機(jī)在負(fù)載突變工況下的穩(wěn)態(tài)特性得到了明顯的提高。